环境传感器

2023年9月23-24日，由中国仪器仪表学会分析仪器分会化学传感器专业学组（专业委员会）主办的第十六届全国化学传感器学术会议（SCCS2023）于山东省济南市举办，两天时间里，湖州师范学院教授王桦（冯路平代讲）、华中科技大学副研究员闫凯、江苏大学副教授殷秀莲、南京大学教授毛亮、中国科学院长春应用化学研究所副研究员余登斌、中国科学院烟台海岸带研究所研究员张志阳在分会场带来了关于化学传感器在环境领域中应用的精彩报告湖州师范学院教授 王桦（冯路平代讲）报告题目：《纳米医学与环境智能传感监测技术及其产业化应用》冯路平介绍道，医学与环境标志物传感的基体材料包括：微纳通道结构的介孔导电材料可用于吸储液体中的标志物，可折叠柔性聚合物用于包埋标志物敏感的导电探针并印制功能电极，改性石墨烯Jet ink打印导线用于连接探头以及微型电化学处理器及信号输出装置，最后通过电聚合、分子自组装、功能涂覆、溶胶-凝胶法等技术将功能材料修饰于微电极上制成高通量芯片探头。通过该技术可研发出智能标志物传感探针，用于对人体健康及水中环境污染物实现在线监测华中科技大学副研究员 闫凯报告题目：《新型光电化学传感体系的构建及其分析应用》闫凯基于环境分析和生物分析的技术发展要求，以光电极性能优化、传感装置小型化、多目标物检测的光电化学传感搭建为目标，在基于近红外光电活性增强的半导体材料构建高性能光电化学传感体系、构建非铂阴极单室PFC用于自供能光电化学检测、基于图案化刻蚀导电基底构建比率型多目标物传感平台研究三个方面进行讨论，实现用电催化、光催化和酶催化来降解污染物。江苏大学副教授 殷秀莲报告题目：《基于图像模式识别的三维荧光光谱库技术及其在水体污染物检测中的应用》殷秀莲教授对自己的研究介绍道，利用三维荧光技术进行多维数据获取，取得每种污染物28个浓度样本，共28×4张EEM图谱图像，其中5×4张作为测试样本，定性识别准确率为100%。该方法为荧光光谱数据库建立和EEM数据分析开辟了一条新的途径，所提出的特征获取、特征提取及谱检索技术，对其他的光谱数据库建立有借鉴意义。此外，为AI大模型在荧光光谱分析中的应用提供数据准备基础，在水环境监测等领域提供帮助。南京大学教授 毛亮报告题目：《海水中氚的食物链传递风险》毛亮教授从核设施和核污染等热点问题出发，结合氚在食物链中的传递规律和内在机制，研究了氚在海洋中的生物效应。他介绍道，采用放射性同位素标记示踪技术进行研究，发现杜氏蓝藻会通过光合作用使氚水快速转化为有机氚，并经过食物链暴露使丰年虾体内有机氚含量上升，最后通过食物链逐级传递。毛亮教授的研究对当下核废水污染问题极具意义，他总结道，核污染中的氚危害不能仅看海水中浓度，更要关注其化学效应。中国科学院长春应用化学研究所副研究员 余登斌报告题目：《水体综合毒性比色检测新方法开发》基于水体检测任务的需要和国家环境政策导向，发展各种水体毒性检测新方法对检测多场景水体必不可少。余登斌介绍道，根据电化学检测原理，分别研发出了利用基因工程改造的绿脓杆菌分泌的大量绿脓菌素构建了免外加媒介体的水体毒性比色检测方法；利用电致变色普鲁士蓝阴极和生物阳极构建了水体毒性可视化检测传感器；基于E. coli-BQ快速颜色反应实现了水体毒性比色/电化学双信号检测和智能手机辅助RGB模型检测；基于容解性不大的铁盐稳定释放下Fe3+生物合成普鲁士蓝指示剂成功构建了水体毒性比色/电化学检测及酶标仪辅助的高效检测方法。同时，他还提到，新技术相较于传统方法具有操作简便、检测全面、快速灵敏等特点，并支持在线监测。中国科学院烟台海岸带研究所研究员 张志阳报告题目：《面向海岸带环境分析监测的光学纳米传感方法研究》海岸带环境分析监测是了解海洋生态系统健康的重要手段，但海岸带污染物情况复杂，环境分析难度大，基于此，张志阳团队发展光学纳米分析原理与技术，为海岸带生态安全与健康提供支撑。他以样品检测案例介绍道，针对污染物，利用纳米材料的光学特性，开发高灵敏纳米比色传感器/阵列和表面增强拉曼传感器，可实现对目标物的检测、鉴定及讲解分析。最后，张志阳提出展望，未来将强化交叉学科，进一步探究传感原理在环境检测上的应用。随着环境保护意识的不断提高和环境监测技术的不断发展，电化学传感器在环境监测领域的应用前景越来越广阔。未来，电化学传感器将朝着更灵敏、更稳定、更耐用的方向发展，实现环境数据的实时采集和远程监控，同时将探索更多的应用领域，为保护人类的生存环境做出更大的贡献。

山东省济南市，2017年8月，首批100辆出租车装上了能监测PM2.5和PM10的传感器，使得济南成为全国首个利用出租车进行大气监测的城市。同年10月，又有200辆出租车加装道路走航监测设备。在北京，中国环境科学研究院大气环境研究所科研楼三层楼顶，一排排精密仪器正在不停运转，一组组数据被精确记录。传感器测试观测室里多台不同品牌不同型号的大气污染物传感器正在进行性能比对，这些数据将为改进传感器性能提供基础依据。从济南到北京，从车载传感器到传感器测试观测室，新型低成本大气传感器是中国环境科学研究院大气环境研究所的研究方向之一。作为生态环境部直属科研单位的中国环境科学研究院，近年来正在不断投入开展大气传感器的相关研发，为城市大气污染监测与溯源提供更精细的技术工具和数据依据。始于需求 源自基层大气传感器应用始于基层，源自2013年的一个电话。“我们从2013年开始研究城市网格化监测和大气传感器的应用，其需求来源于2013年山西省太原市的一个电话。”中国环境科学研究院大气环境研究所副所长高健告诉记者。2013年，全国首次开展城市空气质量六项参数监测，也就是这一年，太原市夏季出现了严重的臭氧污染。为了扭转不利局面，太原市政府找到了中国环境科学研究院团队。但当时的太原只有4个监测点位，很难全面代表整个城市的污染状况。无奈之下，高健团队利用手动采样的方法在太原布设了60个监测点位，没想到效果很好，整个城市的污染地图被很好地呈现出来。从那时起，高健带领团队开始寻找便捷、低成本、有一定精度的传感器产品，来替代成本高、耗人力大但精度高的手工方法。2013年—2016年，大气污染防治领域开始出现类似产品，“微型站”开始成为“标准站”的有效补充。2016年，高健团队组织了包括国内外十余个品牌的大气传感器评测工作，为时一年的细致评测后，发布了研究论文，阐述了大气传感器的适用条件、存在问题和改进方案。在大气污染防治应用方面，大气传感器也迎来了井喷，针对工地、企业、园区、港口等目标场景的固定式应用，逐渐发展到无人机搭载、船载、车载等移动方式。例如济南市生态环境局2018年全面建成1000余个微站，在市、区县、街镇三级大气污染联防联动中得到广泛应用，实现了济南市大气污染治理向公里级网格化精细监管、快速精准溯源、联动高效治理的转变。目前，环保无人机搭载传感器设备在全国多个工业园区进行污染源位置排查、环境应急监测，锁定排放源，联动环境应急处置。船载传感器也已在江苏、上海等地示范应用，监测内河、港口等重点区域的空气质量，补全移动源监管的重要环节。小小传感器 能解大问题每个城市有各自的“基因”，决定了人与路的关系。道路是城市的血管，密集处往往是人口聚居地，是商业发达区域，是各类污染排放聚集区。在济南，从你身边经过的出租车，或许不是寻常的出租车，它可能装载着传感器。这些设备从出租车的外观上是看不出来的，因为设备藏身在车灯里。别看传感器体积小，它能弥补固定环境监测器械分布不均匀的缺陷。“在项目初期，我们考虑可以利用出租车的覆盖范围广、监测结果不受人为干预的特点，在车顶上安装传感器，可实时监测污染情况，通过与现有的空气监测站等定点大气网格化监测数据相互补充、相互校准的方式，获得监测区域的大气质量数据，高效促进大气污染源头治理。”高健告诉记者。每3秒一组数据；定位精度小于20米，精准治理；300辆车每天合计行程超过 6.9万公里，数据超过360万组，平均每天可覆盖95%以上的主城区机动车道路……这些数据弥补了定点大气网格化监测的不足，依托传感器的有力支撑，可以实现城市毛细血管的净化与疏通。获取数据只是第一步，治理才是关键。相关部门可以根据从出租车传感器上获取的实时数据，精准锁定哪些地方有道路扬尘污染，从而进行精准治理，既节约时间，也节约了成本。在安徽省亳州市，除市区所有出租车外，还投入了近百辆装有大气环境监测系统的小型车辆，做到了监管全覆盖。相关人员一旦发现手机云图上出现颜色异常，就会第一时间在微信群里反映，通知对应的部门和执法人员到现场进行处理。截至目前，全国已有40多个城市，数千辆出租车安装并应用了这一传感器。“下一步，我们将加强研究，把传感器做精、做好，利用传感器体积小、成本低的优势，帮助城市更好地解决当地空气污染问题。”高健表示。新型传感器 面向新需求生态环境治理精细化是新时代生态文明建设的新要求、新考验。数据准确、参数齐全的新型传感器正在走上舞台。大气传感器需要解决的不仅仅是高时空分辨率的数据支撑，更是要通过多参数、全方位的监测，提升我们对城市污染来源和影响的科学认识。近年来，高健团队并没有停止对传感器技术前沿的探索。“新产品、新方法、新技术如雨后春笋般不断涌现，关键是要锁定最合适的产品和技术，解决科学需求。”中国环境科学研究院大气环境研究所助理研究员沈毅成告诉记者，“我们正在将新型的粒径谱传感器、黑碳传感器应用于走航监测中。新型的测量参数能够帮助我们区分道路扬尘、柴油车、汽油车尾气和城市本底污染，实现街区尺度的颗粒物来源解析。”目前，济南市的微站网络和走航出租车搭载的PM2.5传感器已经全部升级成为粒径谱传感器，能够将颗粒物的浓度细分成31个粒径区间，可以有效区分不同类型的颗粒物对PM2.5、PM10的相对贡献。“更加先进设备不断走出去，多元化的数据不断传回来，大数据赋能智慧环保已经到来。”沈毅成表示。

生态环境治理精细化是新时代生态文明建设的新要求、新考验，道路作为城市的血管，密集处往往是人口聚居地、各类污染排放聚集区。近年来我国科技工作者开展大气传感器的相关研发，为城市大气污染监测与溯源提供更精细的技术工具和数据支撑，助力提升大气污染防治精细化水平。在济南，技术人员将传感器“藏”在出租车中，实现对道路PM2.5、PM10等空气污染物浓度的实时移动监测，传感器定位精度小于20米，每3秒上传一组数据。300辆装有传感器的出租车每天合计行程超过 6.9万公里，数据超过360万组，平均每天可覆盖95%以上的主城区机动车道路，依托传感器的有力支撑，完美弥补了定点大气网格化监测的不足，能以最快速度掌握城市环境的具体情况。环境污染较为严重的区域还包括施工场地。土石方填挖、建筑材料装卸、建筑拆除及建筑垃圾消纳等施工工序中均会产生扬尘，想要实现城市治理精准化、精细化，借助物联网、传感器等数字化技术进行实时监测尤为关键。传感器接入扬尘监测云平台，则能够对施工场地的黄土覆盖、监控设施与扬尘监测设备PM2.5和PM10数值等方面进行监控，有利于及时落实防控措施情况，并对施工项目的扬尘治理工作进行有序推进，足以可见小小传感器可以针对施工场地起到日常监督管理的作用。资料图片：工作人员操作的智能无人监测船在对河道进行水质快速监测分析在水质监测方面，想要及时发现水生态环境问题，从而实现视觉感知、数据采集、图像分析、信息处理等数字化服务，监测平台可采取给摄像头增加滤光镜和布设水下传感器的方式，这项技术利用水质监测、视频监控等不同类型来源的水质数据进行算法模型分析，从而快速锁定污染源，将可能出现的水质污染情况、位置等数据及时传送到监管部门。相信在未来，数据准确、参数齐全的新型传感器会陆续登上舞台，通过多参数、全方位和更加精确的数据支撑进行环境监测，提升我们对城市污染的科学认识，助力城市生态环境一路向好。